Giáo trình hệ thống máy và thiết bị lạnh - Chương 5

Chơng V
hệ thống lạnh khác
trong công nghiệp và đời sống

5.1. Hệ thống lạnh trong nhà máy bia
5.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh trung tâm
Trong các nhà máy bia ngời ta sử dụng hệ thống lạnh trung tâm để
làm lạnh các đối tợng sau :
- Làm lạnh các tank lên men và tank thành phẩm
- Làm lạnh tank men giống
- Làm lạnh nhanh nớc 1
o
C
- Làm lạnh nhanh dịch đờng sau hệ thống nấu.
- Làm lạnh trung gian hệ thống CO
2
- Các hộ tiêu thụ khác: bảo quản hoan, điều hoà không khí vv
Trên hình 5-1 là sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh trung tâm sử dụng
môi chất NH
3
ở nhà máy bia hiện đại. Hệ thống lạnh sử dụng glycol và
nớc làm chất tải lạnh. Trớc kia trong nhiều nhà máy bia ngời ta sử
dụng chất tải lạnh là nớc muối. Do tính chất ăn mòn của nớc muối
ảnh hởng quá lớn đến hệ thống các thiết bị nên hiện nay hầu hết đã
đợc thay thế bằng chất tải lạnh glycol .
Các thiết bị chính bao gồm: Máy nén 1 cấp hiệu MYCOM, bình
bay hơi làm lạnh glycol, dàn ngng tụ bay hơi, các thùng chứa glycol
và các thiết bị phụ khác của hệ thống lạnh.
Thùng chứa glycol đợc chế tạo bằng inox, bên ngoài bọc cách
nhiệt gồm 02 cái có nhiệt độ khác nhau, đảm bảo bơm glycol đã đợc
làm lạnh đến các hộ tiêu thụ và bơm glycol sau khi sử dụng đến bình

bay hơi để gia lạnh. Giữa 02 thùng glycol đợc thông với nhau tạo ra
sự ổn định và cân bằng.








220
TI
TI
làm lạnh tank
lên men và thành phẩm
làm lạnh co2
làm lạnh
tank men giống
các hộ tiêu thụ khác
thiết bị làm lạnh
nhanh nớc 1C
bình glycol
-5 _ -7c
bình glycol
-2 _ 0c
P
P
NƯớC VàO
NƯớC RA 1C

1- Máy nén; 2- Bình chứa cao áp; 3- Dàn ngng; 4- Tách dầu; 5- Bình bay hơi; 6- Bình thu hồi dầu; 7-
Bơm glycol đến các hộ tiêu thụ; 8- Bơm glycol tuần hoàn; 9- Thùng glycol
Hình 5-1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh nhà máy bia

221

1- áo nớc; 2- Thân bình; 3- Tách lỏng; 4- Gas ra; 5- Tấm chắn lỏng;
6- ống trao đổi nhiệt; 7- Nớc ra; 8- Nớc vào; 9- Chân bình; 10- Rốn bình;
11- ống nối van phao
Hình 5-2 : Bình bay hơi làm lạnh glycol

Trên hình 5-2 trình bày cấu tạo của bình bay hơi làm lạnh glycol.
Về cấu tạo bình bay hơi giống bình ngng ống chùm nằm ngang. ở
đây glycol chuyển động bên trong ống trao đổi nhiệt, môi chất sôi bên
ngoài ống. Phía trên bình bay hơi có gắn sẵn bình tách lỏng, để đảm
bảo sự chuyển động của gas bên trong bình bay hơi ngời ta bố trí 02
ống hút ở 2 phía của bình. Phía dới có rốn để gom dầu về bình thu
hồi dầu. Để đảm bảo lỏng trong bình không quá cao gây ngập lỏng
máy nén ngời ta sử dụng van phao khống chế mức dịch trong bình
bay hơi nằm trong giới hạn cho phép.

5.1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh CO
2
Trong các nhà máy bia ngời ta thờng sử dụng các hệ thống lạnh
riêng để làm lạnh CO
2
vì chế độ nhiệt âm sâu.
Máy lạnh sử dụng để làm lạnh CO
2
trong sơ đồ này là máy lạnh 2

cấp hoạt động hoàn toàn độc lập với hệ thống lạnh glycol bảo quản
tank lên men và làm lạnh nhanh dịch nấu . Trong một số trờng hợp để
nâng cao hiệu quả giải nhiệt, ngời ta trích glycol từ hệ thống lạnh bảo
quản bia sang làm mát trung gian hơi CO
2
sau mỗi cấp nén. Sơ đồ nh
vậy, tuy hiệu quả giải nhiệt tăng nhng hệ thống thu hồi CO
2
hoạt
động phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống làm lạnh glycol nên hiện
nay ít sử dụng glycol để làm mát mà chuyển sang sử dụng nớc.


222
PI
Nuớc ngung
Hơi nuớc
PIPI
PI
PI
Van điện từ
Van tiết lu
Van 3 ngả
Van một chiều
Đồng hồ áp suất
PI
CO2 đến các hộ tiêu thụ
PI
Fin lọc cặn
Van chặn

ghi chú:
Van an toàn
PI
TI PI
TI PI
2
3
4
5
6
14
13
12
15
11
10
19
16
17
18
20
21
78 9
PI
Không khí
Nớc sạch
CO2 từ TANK đến
LS+
1
LS-

1- Ba lông CO2; Tháp rửa; 3- Máy nén CO2; 4,5- Bình làm mát cấp 1 và cấp 2; 6,8- Tháp hấp thụ; 7,9- Tháp làm khô; 10-
Bảo vệ ba lông; 11- Tách lỏng hệ CO2; 12- Hoá hơi CO2; 13- Bình chứa CO2 lỏng; 14- Bình ngng CO2; 15- Tách lỏng
HT lạnh; 16- Tách dầu; 17- Máy lạnh; 18- Bộ làm mát trung gian HT lạnh; 19- Bình ngng; 20- Bình chứa; 21- Tháp GN
Hình 5-3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ngng tụ CO2

223

Nguyên lý thhoạt động của hệ thống thu hồi CO
2
nh sau: Khí CO
2

từ các tank lên men đợc dẫn đến balon (1), sau đó đợc đa qua tháp
rửa (2), ở đây các bọt bia bị cuốn theo đợc rửa sạch, chỉ còn khí CO
2

và đợc dẫn sang bình tách lỏng để tách các giọt nớc bị cuốn theo
dòng. Khí CO
2
đợc nén qua 2 cấp, mỗi cấp đều đợc làm mát bằng
nớc ở các bình 4, 5. Khí CO
2
đợc đa qua bình hấp thụ (6) để hấp
thụ hết các mùi và các chất cặn bẩn và sau đó đến bình làm khô (7) để
làm khô trớc khi đa đến làm lạnh ở bình ngng tụ CO
2
(14). ở bình
ngng tụ CO
2

đợc làm lạnh và ngng tụ lại thành lỏng và chảy xuống
bình chứa (13). Trong quá trình bảo quản, nếu CO
2
trong bình hoá hơi
bốc lên phía trên sẽ đợc làm lạnh và ngng chảy lại xuống bình.
Khi cần sử dụng, lỏng CO
2
đợc dẫn sang dàn hoá hơi (12) để hoá
hơi trớc khi đa đến các hộ tiêu thụ.
Hệ thống có trang bị 02 bộ bình hấp thụ và làm khô, mục đích là
trong khi các bình (6) và (7) đang hoạt động thì các bình (8) và (9) tiến
hành hoàn nguyên. Để hoàn nguyên ngời ta sử dụng hơi từ lò hơi đi
vào phần vỏ bên ngoài các bình để sấy khô các bình nhằm thực hiện
hoàn nguyên.

5.1.2 Tính toán nhiệt nhà máy bia
Hệ thống lạnh nhà máy bia có các tổn thất nhiệt chính sau đây:
- Tổn thất do truyền nhiệt qua tất cả các thiết bị sử dụng và bảo
quản lạnh.
- Tổn thất nhiệt do làm lạnh nhanh dịch đờng húp lông hoá sau
hệ thống nấu.
- Tổn thất nhiệt để làm lạnh các đối tợng khác.

5.1.2.1 Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt ở các thiết bị sử dụng và bảo
quản lạnh
Tổn thất nhiệt ở tất cả các thiết bị làm lạnh, bao gồm:
- Các tank lên men và tank thành phẩm;
- Bình bay hơi làm lạnh glycol;
- Thùng glycol;
- Thùng nớc 1

o
C;
- Các thùng men giống;

224
Việc tính tổn thất nhiệt ở các thiết bị này có đặc điểm tơng tự
nhau, đó là tổn thất nhiệt chủ yếu qua vách có dạng hình trụ, bên ngoài
tiếp xúc không khí, bên trong là môi trờng lạnh (Môi chất lạnh,
glycol, dịch bia hoặc nớc lạnh)
Khi tính tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che của tank lên men, tank
thành phẩm và thùng men giống chúng ta gặp khó khăn về 2 vấn đề :
- Dọc theo bề mặt bên trong của tank có vị trí tiếp xúc với dịch bia,
có vị trí tiếp xúc với glycol và có nơi tiếp xúc với không khí nên khó
xác định hệ số toả nhiệt bên trong. Vì vậy, một cách gần đúng có thể
coi nh tổn thất từ dịch bia ra môi trờng xung quanh.
- Phần thân hình trụ, phần đáy và đỉnh có thể hình côn hoặc hình
elip khá khó xác định.
Để đơn giản bài toán tạm qui đổi diện tích toàn bộ ra dạng hình trụ
và bên trong coi nh tiếp xúc với một môi trờng lạnh nhất định nào
đó.
Tổn thất do truyền nhiệt qua thân trụ có thể đợc tính theo công
thức sau :
Q = k.h.t (5-1)
trong đó:
22
1
11
..
1
ln

..2
1
..
1
1

dd
d
d
k
i
i
i
++
=
+

, W/m
2
.K (5-2)

h - Chiều cao hay dài qui đổi của bình, m;
d
1
, d
2
là đờng kính ngoài cùng và trong cùng của lớp vật liệu vỏ, m;

1
- Hệ số toả nhiệt bên trong, W/m

2
.K;

2
- Hệ số toả nhiệt bên ngoài, W/m
2
.K;
t = t
1
- t
2
: Hiệu nhiệt độ không khí bên ngoài và môi chất bên trong;

i
- Hệ số dẫn nhiệt của các lớp vật liệu, W/m.K.
Bảng 5-1: Các thông số các thiết bị

Thiết bị Môi chất bên trong Nhiệt
độ
Cách
nhiệt
1. Tank lên men, thành
phẩm, men giống
Dịch bia đứng yên 8
o
C 100mm
2. Thùng glycol Glycol có chuyển động -5
o
C 150mm

225
3. Bình bay hơi Lỏng NH
3
đang sôi -15
o
C 150mm
4. Thùng nớc 1
o
C Nớc lạnh đứng yên 1
o
C 100mm
Bảng 5-2 :Thông số cách nhiệt các thiết bị

STT Tên lớp vật liệu Độ dày, mm Hệ số dẫn nhiệt
W/m.K
1 Lớp inox vỏ ngoài
0,5 ữ 0,6
45,3
2 Lớp polyurethan
100 ữ 150 0,018 ữ 0,020
3 Lớp thân bên trong
3 ữ 4
45,3

5.1.2.2 Tổn thất nhiệt do làm lạnh dịch đờng
Nhiệt cần làm lạnh dịch đờng từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ
bảo quản đợc thực hiện qua hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Làm lạnh dịch bia sau hệ thống nấu (khoảng 80
o
C)

xuống 20
o
C bằng nớc lạnh 1
o
C.
- Làm lạnh tiếp bằng glycol từ 20
o
C xuống 8
o
C
Tất cả các tổn thất do làm lạnh này đều là phụ tải của máy nén lạnh
do đó không cần phân biệt giai đoạn, mà đợc tính từ 80
o
C xuống 8
o
C:
Việc tính phụ tải lạnh máy nén sẽ rất khác nhau tuỳ thuộc vào quan
điểm và cách thiết kế hệ thống lạnh. Để hạ nhanh dịch đờng húp
lông hoá sau hệ thống nấu nếu sử dụng phơng pháp làm lạnh trực
tiếp, sẽ đòi hỏi máy lạnh có công suất rất lớn. Ngợc lại nếu sử dụng
nớc lạnh 1
o
C để làm lạnh, nhờ quá trình tích lạnh thì công suất lạnh
yêu cầu sẽ bé hơn nhiều.
Theo quan điểm này, phụ tải nhiệt cần thiết để làm lạnh dịch đờng
húp lông hoá đợc tính nh sau:

360024
).(.
21

2
x
ttCG
Q
pd

=
, W (5-3)
+ G
d
Lợng dịch đờng húp lông hoá trong một ngày đêm,
kg/ngày đêm;
+ C
p
Nhiệt dung riêng của dịch đờng húp lông hoá. Dịch đờng
sau húp lông hoá là một hỗn hợp rất phức tạp phụ thuộc vào loại
nguyên liệu và thiết bị công nghệ sản xuất. Vì vậy nhiệt dung riêng
của dịch đờng húp lông hoá không có giá trị cố định và chính xác cho
tất cả các hệ thống. Một cách gần đúng có thể lấy theo nhiệt dung
riêng của nớc;

226
+ t
1
, t
2
- Nhiệt độ của dịch đờng trớc và sau khi đợc làm lạnh. Sau
khi qua hệ thống nấu và đợc đa húp lông hoá ở nhiệt độ sôi 100
o
C,

dịch đờng đợc đa sang thiết bị lọc và thùng lắng xoáy trớc khi
đợc làm lạnh, vì vậy nhiệt độ t
1
khoảng 80
o
C, nhiệt độ đầu ra phải đạt
nhiệt độ bảo quản trong tank lên men, tức t
2
= 8
o
C.

5.1.2.3 Tổn thất nhiệt để làm lạnh các đối tợng khác.
Trong các nhà máy bia công suất lạnh do máy lạnh tạo ra còn đợc
sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, tuỳ thuộc thực tế tại nhà máy
và cần phải đợc tính đến, cụ thể là:
1. Tổn thất để làm lạnh trung gian trong hệ thống thu hồi CO
2
-
Q
31
Việc làm mát trung gian sau các cấp nén của máy nén CO
2
trong hệ
thống thu hồi khí này đợc thực hiện bằng nhiều phơng pháp: Sử
dụng nớc hoặc glycol của hệ thống làm lạnh và bảo quản bia. Trong
trờng hợp cuối, cần phải tính tổn thất này, khí tính phụ tải lạnh của
máy làm lạnh glycol.
Trong trờng hợp này, một cách gần đúng có thể lấy công suất
lạnh cần thiết để làm mát trung gian 2 cấp, bằng tổng công suất nhiệt

làm mát trung gian ở các cấp của máy nén CO
2
:
Q
31
= Q
tg1
+ Q
tg2
, W (5-4)
Q
31
- Tổn thất nhiệt để làm mát trung gian, W
Q
tg1
, Q
tg2
Công suất làm mát trung gian của máy nén CO
2
, W

2. Bảo quản hoa Q
32
Hoa húp lông sâu khi sấy đợc tiến hành phân loại và sau đó xông
SO2. Công việc xông hơi đợc tiến hành trong buồng kín. Liều lợng
lu huỳnh đem sử dụng khoảng 0,5 ữ1 kg /100 kg hoa. Mục đích là để
hạn chế quá trình ôxi hoá và sự phát triển của vi sinh. Sau khi xông
hơi hoa đợc ép chặt thành bánh và xếp vào túi polyetylen, hàn kín và
cho vào thùng kim loại đem đi bảo quản.
Hoa húp lông đợc bảo quản ở chế độ nhiệt độ khoảng 0,5 ữ 2

o
C.
Tổn thất nhiệt ở kho bảo quản hoa húp lông bao gồm tất cả các tổn
thất tơng tự nh các kho bảo quản khác.

3. Điều hoà không khí Q
33

227
Trong một số nhà máy, ngời ta tận dụng lạnh của hệ thống làm
lạnh glycol để điều hoà cho một số khu vực nhất định của nhà máy,
chẳng hạn nh khu văn phòng, các phòng thí nghiệm, các phòng làm
việc khác trong khu chế biến. Đây là một phơng án rất kinh tế và
hiệu quả.
Tổn thất nhiệt do để điều hoà đợc xác định theo công thức:

OT
OC
T
TI
II
QQ


= .
33
, W (5-5)
I
C
, I

V
, I
T
En tanpi trạng thái không khí trớc khi vào, ra dàn
lạnh và trong buồng điều hoà không khí.
Q
T
Nhiệt thừa của các phòng điều hoà, W
Nhiệt thừa Q
T
đợc xác định nhờ tính cân bằng nhiệt của các phòng.
5.2. Hệ thống lạnh trong điều hoà không khí
5.2.1 Hệ thống lạnh máy điều hoà cỡ nhỏ
Thiết bị quan trọng nhất trong một hệ thống điều hoà không khí đó
chính là hệ thống lạnh . Đối với các máy lạnh công suất nhỏ, ngời ta
thờng sử dụng máy nén kiểu kín, môi chất lạnh là frêôn (R
12
và R
22
),
dàn lạnh và dàn ngng là các dàn ống đồng cánh nhôm. Do yêu cầu
khác nhau nên quạt sử dụng cho các dàn có khác, cụ thể dàn ngng sử
dụng quạt hớng trục và dàn lạnh sử dụng quạt ly tâm.
DX
DàN NGƯNG Tụ
DàN BAY HƠI
MáY NéN KíN
ốNG MAO TIếT LƯU
Thermostat
nuớc ngung

Hình 5-4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh máy điều hoà không
khí công suất nhỏ

228
Trên hình 5-4 là sơ đồ khai triển của hệ thống lạnh các máy điều
hoà công suất nhỏ. ở đây thiết bị tiết lu là các ống mao.
Mỗi hệ thống lạnh trong máy điều hoà đều bộ điều khiển. Các bộ điều
khiển cho phép điều chỉnh và chọn các chế độ làm việc khác nhau, cụ
thể :
- Bật tắt nguồn điện ON-OFF
- Chọn tốc độ quạt, có 3 chế độ: Nhanh, vừa và chậm (Hight,
Medium, Low)
- Chọn chế độ làm việc: Chế độ làm lạnh, chế độ thông gió, chế độ
hút ẩm..
- Đặt nhiệt độ phòng. Khi nhiệt độ phòng đạt yêu cầu thermostat tác
động ngừng máy, khi nhiệt phòng lên cao thì khởi động máy hoạt
động lại.
- Hẹn giờ

5.2.2 Hệ thống điều hoà công suất trung bình và lớn trong đời
sống
5.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý
Hệ thống máy điều hoà cỡ lớn có nhiều loại: Máy điều hoà dạng tủ,
máy điều hoà làm lạnh bằng nớc, máy điều hoà VRV. Máy nén lạnh
sử dụng cũng có nhiều loại nh máy nén piston, máy nén trục vít, máy
nén kiểu kín, máy nén ly tâm vv

Hình 5-5: Sơ đồ hệ thống lạnh máy điều hoà công suất trung
bình

229